专利名称：基于远距离无线组网的智能传感器装置及方法
技术领域：
本发明涉及基于远距离无线组网的智能传感器装置及方法，本装置属测量与控制设备领域，可通过远距离无线传输实现对模拟、数字传感器信号的采集测量，并能对现场设备进行远距离无线控制。适用于农业、工业等领域的信息采集和控制。
背景技术：
现有的信息采集控制系统一般采用有线连接或基于无线传输的数传模块来进行组网。二者或多或少存在一定的问题和缺陷1、有线连接使系统网络布线复杂、成本增加、故障率高。2、短距离无线连接易受干扰，通讯距离过短。中长距离的无线数传模块功能单一，不同时具备采集和控制功能。3、存储数据量少，很多没有数据保存和数据备份功能，不便于参考研究。4、电池使用效率较低，没能充分延长电池工作时间，导致频繁更换电池。5、没有自动唤醒功能，不能进行自动测量。6、无红外接口。
发明内容
本发明提供基于远距离无线组网的智能传感器装置及方法，可对环境参数进行测量并可控制现场设备，具有远距离无线数据传输和组网功能，能方便地与PC机通讯，能够自动唤醒自动测量，具有大容量的存储空间便于保存和备份数据。采用大容量锂电池和专用电源处理模块供电，可使本产品能够长时间的工作。
基于远距离无线组网的智能传感器装置及方法由不锈钢盒(1)、天线(2)、电源处理模块(3)、时钟电路(4)、无线模块电路(5)、控制输出接口(6)、桥式驱动L298(7)、I/O扩展芯片PCF8574(8)、模拟处理电路(9)、RS232通讯接口电路(10)、红外通讯接口电路(11)、RS485通讯接口电路(12)、主芯片C8051F310(13)、通用数字模拟信号接口座(14)、通用RS232/RS485/红外接口座(15)及主控电路板(16)共同组成；电源处理模块(3)、时钟电路(4)、无线模块电路(5)、控制输出接口(6)、桥式驱动(7)、I/O扩展芯片PCF8574(8)、模拟处理电路(9)、RS232通讯接口电路(10)、红外通讯接口电路(11)、RS485通讯接口电路(12)、主芯片C8051F310(13)、通用数字模拟信号接口(14)、通用RS232/RS485/红外接口座(15)分别焊接在主控电路板(16)上。主控电路板(16)用螺丝固定在不锈钢仪器盒(1)的内部(见图1，2)。
基于远距离无线组网的智能传感器装置及方法，其特征在于电路部分由单片机C8051F310、无线收发芯片CC1020、实时时钟PCF8563、铁电存储器FM25L256、IO扩展芯片PCF8574、模拟和数字输入接口、MAX3485和MAX3221芯片扩展的RS485和RS232网络接口、低功耗低压差稳压芯片NCP500SN30T1和开关式升压芯片NCP1402SN50T1以及CS5171ED8组成的电源处理模块、ISL43640IR和OPA357AIDBVT组成的模拟处理模块、H桥式驱动模块共同组成；低功耗单片机C8051F310及其内部软件作为整个系统的控制核心；一节锂电池经过电源模块处理，给系统芯片提供稳定的3.3V电压和5V电压，同时也给驱动模块提供6V/12V电压；无线收发芯片CC1020实现设备间的无线通信；实时时钟PCF8563、铁电存储器FM25L256、IO扩展芯片PCF8574、模拟和数字输入接口、MAX3485和MAX3221芯片扩展的RS485和RS232网络接口、TFDS4500芯片扩展的红外接口、ISL43640IR和OPA357AIDBVT组成的模拟处理模块、桥式驱动模块分别与C8051F310相接(见图3)。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案单片机选用Silicon Laboratories公司出品的系统级芯片C8051F310，有16KB可在系统编程的FLASH存储器，1280字节片内RAM可以存储采集数据；硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口。其中通过SMBus总线与两片PCF8574芯片连接进行并行扩展。再使用MAX3221、MAX3485、TFDS4500与PCF8574连接，从而扩展成RS232接口、RS485接口和红外接口。可实现与PC机的有线或近距离无线数据传输。通过增强型SPI串行接口与无线模块CC1020相连，实现远距离无线传输；C8051F310片内有10位A/D转换器，可以对采集的模拟数据进行转换；单片机内部的比较器实现对电池电压的监控；其内部的捕获比较计时器可以实现对频率的测量。铁存储器FM25L256实现了高速的数据存储，功耗低，可擦写次数高达亿次。实时时钟PCF8563为系统提供了时间基准，可以跟据设置值采集数据定时存入数据存储器，同时也能唤醒单片机进行自动采集。低功耗低压差稳压芯片NCP500SN30T1和开关式升压芯片NCP1402SN50T1以及CS5171ED8组成的电源处理模块。模拟信号经过多路开关ISL43640IR切换后进入，通过运算放大器OPA357AIDBVT放大倍数后送入单片机的A/D转换输入口。通过通用数字接口和模拟接口接入不同的传感器，进行数据采集与转换。上位机程序通过发命令至单片机，然后经过桥式驱动芯片L298实现设备控制。采用一节锂电池供电，通过线性电源NCP500提供3.3V电压，升压开关电源芯片NCP1402提供5V电压。同时也通过CS5171给驱动模块提供6V/12V电压。芯片选用3.3V供电的低功耗芯片，在不使用时可以关闭芯片进入低功耗模式，从而达到延长电池供电时间。
本发明的有益效果1.远距离无线通信功能，组网方式灵活且易于扩展。
2.多种传感器信号接口，可采集处理数字、频率及模拟信号，集远程控制与一体。
3.具有RS232/RS485接口，可以当作单纯的远距离无线数传模块使用。
4.红外接口可使模块设置灵活，便于无主分布式系统自动协调工作。
5、数据保存和数据备份功能，提高了可靠性且便于以后研究。
6、具有时钟唤醒和自动采集功能。
7、采用低功耗设计，锂电池供电和太阳能充电，电池工作时间长。
图1是本发明的实物结构正视示意图。
图2是本发明的实物结构侧视示意图。
图3是本发明的系统组成结构示意图。
具体实施例方式采用一节锂电池经过电源处理模块(3)给系统供电，使C8051F310上电复位，同时也为外接传感器供电。线性电源为系统及无线模块提供3.3V电压，升压开关电源为电平转换，为外界提供5V电压。通过CS5171给驱动模块提供6V/12V电压。
无线模块接口是由C8051F310控制无线收发芯片CC1020组成，通过无线收发芯片将系统打包后的数据经过一定的时序通过SPI串口进行传输。
通过RS232口可以直接与PC机相连(或者通过红外接口与红外设备相连)，通过上位机软件进行数据分析和实现对远程设备的控制。
通用数字模拟信号采集口(14)可以连接不同的传感器，对数字信号，频率信号，标准模拟信号进行采集。
通过控制输出接口(6)对现场设备进行控制。
由C8051F310单片机及其外围电路构成的模块，包括实时时钟电路、数据存储电路、并行扩展电路、电平转换电路、桥式驱动电路、模拟开关电路、放大电路等。作为整个系统的控制核心，它控制各部分电路完成参数的设置、传感器数据的读取转换、时间和日期的读取判别、数据存储、有线、无线通讯及控制等任务。
权利要求
1.基于远距离无线组网的智能传感器装置及方法，其特征由不锈钢盒(1)、天线(2)、电源处理模块(3)、时钟电路(4)、无线模块电路(5)、控制输出接口(6)、桥式驱动L298(7)、I/O扩展芯片PCF8574(8)、模拟处理电路(9)、RS232通讯接口电路(10)、红外通讯接口电路(11)、RS485通讯接口电路(12)、主芯片C8051F310(13)、通用数字模拟信号接口座(14)及通用RS232/RS485/红外接口座(15)共同组成；电源处理模块(3)、时钟电路(4)、无线模块电路(5)、控制输出接口(6)、桥式驱动(7)、I/O扩展芯片PCF8574(8)、模拟处理电路(9)、RS232通讯接口电路(10)、红外通讯接口电路(11)、RS485通讯接口电路(12)、主芯片C8051F310(13)、通用数字模拟信号接口(14)、通用RS232/RS485/红外接口座(15)分别焊接在主控电路板(16)上。主控电路板(16)用螺丝固定在不锈钢仪器盒(1)的内部。
2.如权利要求1所述的基于远距离无线组网的智能传感器装置及方法，其特征在于电路部分由单片机C8051F310、无线收发芯片CC1020、实时时钟PCF8563、铁电存储器FM25L256、IO扩展芯片PCF8574、模拟和数字输入接口、MAX3485和MAX3221芯片扩展的RS485和RS232网络接口、低功耗低压差稳压芯片NCP500SN30T1和开关式升压芯片NCP1402SN50T1以及CS5171ED8组成的电源处理模块、ISL43640IR和OPA357AIDBVT组成的模拟处理模块、桥式驱动模块共同组成；低功耗单片机C8051F310及其内部软件作为整个系统的控制核心；一节锂电池经过电源模块处理，给系统芯片提供稳定的3.3V电压和5V电压，同时也给驱动模块提供6V/12V电压；无线收发芯片CC1020实现设备间的无线通信；实时时钟PCF8563、铁电存储器FM25L256、IO扩展芯片PCF8574、模拟和数字输入接口、MAX3485和MAX3221芯片扩展的RS485和RS232网络接口、TFDS4500芯片扩展的红外接口、ISL43640IR和OPA357AIDBVT组成的模拟处理模块、桥式驱动模块分别与C8051F310相接。
全文摘要
本发明涉及基于远距离无线组网的智能传感器装置及方法，其特征是由不锈钢盒(1)、天线(2)、电源处理模块(3)、时钟电路(4)、无线模块电路(5)、控制输出接口(6)、桥式驱动L298(7)、I/O扩展芯片PCF8574(8)、模拟处理电路(9)、RS232通讯接口电路(10)、红外通讯接口电路(11)、RS485通讯接口电路(12)、主芯片C8051F310(13)、通用数字模拟信号接口座(14)及通用RS232/RS485/红外接口座(15)共同组成，可用于农业、工业等领域的信息采集和控制。
文档编号G05B19/418GK1811642SQ20061005694
公开日2006年8月2日 申请日期2006年3月7日 优先权日2006年3月7日
发明者赵春江, 乔晓军, 王成, 张云鹤, 张馨, 杜小鸿 申请人:北京农业信息技术研究中心